Нейтрино: нераскрытое окно в недра Солнца и звезд

Как узнать, какие термоядерные реакции идут в недрах Солнца? Какую температуру имеет его сердцевина? Какой была Вселенная миллиарды лет назад? Как умирают звезды? Ответ на эти и массу других вопросов ученые надеются получить от нейтрино — участника множества превращений вещества. Регистрация космических нейтрино обещает дать начало новой ветви астрономии — нейтринной, призванной расширить «окно» во Вселенную. Но уже первая задача нейтринной астрономии — поиск нейтрино от Солнца — оказалась, вопреки ожиданию, необычайно сложной. Нейтрино пока не может ответить на поставленные вопросы. Более того, вопросов стало еще больше.

Физики в полном недоумении. Результаты проведенных экспериментов по солнечным нейтрино как-то не укладываются в схему устоявшихся взглядов на роль нейтрино в мироздании. Чем и как объяснить происходящее? Мнения — самые разные и противоречивые, теоретические модели — одна любопытнее другой. Единственное, в чем все сходятся,— надо ставить новые эксперименты. Обо всем этом мы рассказываем в нашей статье.

Почти десять лет непрерывно идет эксперимент по поиску нейтрино из недр Солнца. И все эти годы опыт показывает: нейтринного потока нет!

Можно уточнять различные детали реакций в глубинах Солнца, можно спорить о конкретном значении температуры в центре нашего светила. Но в любом случае одно считалось бесспорным: в процессе выработки солнечной энергии должны рождаться нейтрино.

Частицы эти обладают чудовищно большой проникающей способностью, они должны легко пронизывать массы солнечного вещества и излучаться в мировое пространство. Нетрудно подсчитать, какой поток нейтрино должен наблюдаться на Земле. Для измерения этого потока была выбрана особая единица, которую назвали «солнечной единицей нейтрино», или с. е. н. Подсчеты по различным методикам дали близкие друг к другу значения — на Земле должен регистрироваться поток солнечных нейтрино интенсивностью около 6 с. е. н.

Еще десяток лет назад не было ни малейшего сомнения, что такой поток действительно падает на Землю. Оставалось только зарегистрировать его и положить тем самым начало нейтринной астрономии, на которую в последнее время возлагаются большие надежды как на уникальное средство исследования мира. (К слову будет очень перспективно написать курсовую или даже дипломную работу по теме нейтринной астрономии и проблематики этого нового научного направления, а помочь в написании подобной работы всегда смогут специалисты научного центра www.naukacentr.com).

Надо взять большую мишень

И эксперимент, предназначенный для регистрации потока солнечных нейтрино, был поставлен. Идея его довольно проста — нейтрино могут иногда поглощаться нейтронами, которые должны превращаться в протоны с испусканием электронов. Еще в 1946 году Б. Понтекорво предложил удобный способ обнаруживать эти акты взаимодействия. В мишени, содержащей большое количество атомов хлора-37, под воздействием нейтринного потока будет происходить подобная реакция. Результатом ее явится бета-распад хлора-37 с превращением его в аргон-37. В качестве мишени хорошо подходит перхлорэтилен. Удобен он тем, что не представляет никакого труда держать его в жидком состоянии, а продукт реакции — инертный газ, который не вступает практически ни в какие реакции, легко выделить из жидкости.

Правда, из-за большой проникающей способности нейтрино эффективность реакции весьма мала. Поэтому даже при очень большом нейтринном потоке темп рождения атомов аргона все же крайне низок. Так, при интенсивности потока в 1 солнечную единицу лишь один из 10³⁶ (!) атомов хлора в секунду может превратиться в аргон под действием нейтрино. Поэтому при всей простоте теоретической идеи эксперимент предельно сложен технически.

Прежде всего, нужна очень большая мишень. Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории во главе с доктором Дэвисом упрятали на глубине около полутора километров (в дело пошла старая золотодобывающая шахта в штате Южная Дакота) огромный бак емкостью 380 000 литров, вместивший 610 тонн перхлорэтилена. И даже при таком огромном количестве вещества ожидавшийся поток солнечных нейтрино обязан был рождать всего один атом аргона за день. Представьте себе сложность задачи: уловить появление в детекторе одного атома аргона за целый день при условии, что окружающий нас воздух буквально напичкан аргоном, которого в нем целый процент!

Значит, нужно тщательнейшим образом герметизировать систему, исключить малейшую возможность попадания в нее атмосферного воздуха. Кроме того, надо защитить мишень и от различных излучений, которые также могут приводить к рождению аргона. В первую очередь — от космических лучей. Для этого и пришлось упрятать ее под землю. Но там есть другая опасность — быстрые нейтроны, излучаемые окружающей шахту породой. Оградить цистерну с перхлорэтиленом от этого фонового нейтронного излучения удалось, окружив ее толстым слоем воды. Затем нужно было позаботиться о том, как после нескольких суток экспозиции отделить новорожденный аргон от других радиоактивных газов, особенно таких, как криптон, радон… Наконец, после такой очистки, которая осуществляется методами газовой хроматографии, считанные атомы аргона собираются в миниатюрный счетчик радиоактивных излучений. Здесь-то и проявляется счастливое обстоятельство, которое позволяет зарегистрировать каждый атом аргона Аr37, рожденный в реакции Понтекорво — Дэвиса: все эти атомы радиоактивны и распадаются с периодом полураспада 35 дней.

Что же показал эксперимент? Исследователи непрерывно повышают чувствительность своего детектора, шлифуют и без того ювелирную методику эксперимента. Приборы их уже готовы уловить поток частиц, в десятки раз меньший первоначально ожидавшегося. А нейтрино от Солнца все нет!..

Легко представить, сколь неожиданным был подобный результат. Сначала казалось, что все дело в недостаточно качественной постановке эксперимента. Всю установку тщательнейшим образом проверили, учли все, что могло давать неопределенность результатов.

Вот лишь один пример проверки системы на работоспособность. Специальную пробу, содержавшую известное количество радиоактивных атомов аргона, ввели в цистерну. Затем в течение трех дней система работала в обычном режиме регистрации и пересчитала атомы все до одного! (Разумеется, с вполне определенной, разумной точностью). Так что надежность системы доказывается совершенно однозначным способом.

Каков же количественный результат эксперимента? В среднем рождается один атом Аr37 за много дней.

Нейтрино вообще нет?

Как же можно объяснить отсутствие ожидаемого потока солнечных нейтрино? Сразу же появилось множество различных гипотез, большинство которых касается процессов, происходящих внутри Солнца. По одним моделям внутри Солнца гораздо меньше ядер тяжелых элементов, чем было принято считать ранее, и поэтому, возможно, там протекают другие циклы реакции. Согласно другим — внутри Солнца имеется быстро вращающееся ядро либо же там существуют огромной силы неоднородные магнитные поля.

Дошло даже до того, что появилось предположение, которое вызвало единодушное неодобрение и даже нежелание его рассматривать (а американский ученый Бакал назвал его просто «отвратительным»). Состоит оно в том, что солнечные нейтрино имеют короткое время жизни и просто распадаются за те 8 минут, которые требуются им, чтобы долететь со скоростью света от Солнца до Земли.

Пока одни спешили пересматривать циклы ядерных реакций в недрах Солнца, а другие слишком верили в эти циклы и предпочитали думать, что нейтрино просто не долетают до Земли, нашелся один ученый, который попробовал взглянуть на всю проблему иначе. Немецкий физик Багге выступил с сенсационным сообщением. Можно очень легко объяснить, почему в эксперименте Дэвиса не зарегистрирован поток нейтрино от Солнца,— сказал он. Достаточно предположить, что электронных нейтрино просто не существует в природе! И Багге изложил новую концепцию мироздания, которая исключает надобность в этих частицах. Для этого нужно было «всего лишь» по-другому объяснить наблюдаемые факты.

Вспомним процесс бета-распада ядер. Мы видим, что при этом одним нейтроном в ядре становится меньше, но вместо него появляются протон и электрон. Есть неувязка с изменением энергии, а также импульса. Для устранения этих неувязок предполагается, что вылетает еще одна частица — нейтрино, но ее-то мы никак не регистрируем. А ведь можно вовсе обойтись без нее. Для этого нужно распространить классические законы на область состояний с отрицательной энергией.

Кстати, такое обобщение в случае закона сохранения энергии уже давно сделал Дирак, предложивший рассматривать античастицы как незаполненные «дырки» в пространстве состояний обычных частиц, но с отрицательной энергией. Говорят, например, что позитрон — это просто «дырка» среди состояний электронов с энергией ниже нуля. В этих терминах аннигиляция пары электрон — позитрон есть не что иное, как «падение» электрона на незанятый уровень с отрицательной энергией, а рождение пары — выбивание электрона с такого уровня в область положительных энергий. Эти представления, впервые высказанные Дираком, сначала встретили сильнейшее недоверие, но потом к ним привыкли настолько, что теперь они уже воспринимаются как само собой разумеющееся.

Багге предложил сделать следующий шаг. Нужно точно таким же образом обобщить законы сохранения импульса и спина. Исходя из общих соображений, следует признать, что классические законы сохранения энергии, импульса и спина связаны между собой довольно тесно. Поэтому вполне логичной выглядит идея, что уж если обобщать эти законы, то все вместе. И вот оказывается, что в этом случае электронные нейтрино просто не нужны!

«Невидимая» часть той энергии, которую приписывали нейтрино, тратится на то, чтобы поднять электрон из области отрицательных энергий в «видимую» область, область положительных энергий. А выбравшись в доступный нашим наблюдениям мир, электрон демонстрирует нам оставшуюся часть энергии. Закон сохранения энергий полностью соблюден.

Точно так же гипотеза обеспечивает и другие законы сохранения: импульса, спина, электрического заряда, числа барионов и т. д.

Идея Багге выглядит очень занятно, но против нее есть сильный аргумент. Она не объясняет результат ставших уже классическими опытов Райниса и Коуэна по регистрации электронных антинейтрино из ядерного реактора.

Кое-что все же есть

Как же быть с теми экспериментами, в которых нейтрино удалось зарегистрировать? Ведь уже целых два десятилетия его существование считается экспериментально доказанным. В том же самом эксперименте Дэвиса иногда вполне надежно регистрируют всплески нейтринного излучения.

Представим себе, что где-то во Вселенной коллапсирует звезда. Тогда должны регистрироваться всплески антинейтринных потоков. А что будет, если коллапс случится с «антизвездой» — телом из антивещества? Тогда будет всплеск нейтринного излучения! Одновременная регистрация нейтрино и антинейтрино позволяет не только зарегистрировать коллапс космического тела, но и установить, из какого сорта материи оно состояло — из вещества или антивещества? Но эти опыты — для более совершенных детекторов.

Итак, с теоретической точки зрения пока в проблеме солнечных нейтрино полная неясность. В такой ситуации внимание снова обращается к эксперименту. Опыт Дэвиса достаточно хорош, но он ведь пока единственный. Сейчас все согласны с тем, что подобный эксперимент хорошо бы повторить другому коллективу. И не просто повторить.

Теперь-то уж ясно, что опыт этот, как говорят, не является критичным. Под этим понимают следующее: когда опыт планировался, никто не сомневался в том, что поток солнечных нейтрино с интенсивностью около 6 с. е. н. существует. Эксперимент должен был только подтвердить это. Если бы результаты опыта оказались положительными, то есть именно такой поток был бы обнаружен на самом деле, тогда опыт можно было считать вполне критичным. Раз этого не произошло, то он сейчас уже не является критичным, ибо не может ответить на вопрос, какой же действительно существующий поток нейтрино, рождаются ли они на Солнце и вообще, почему нет ожидаемого потока в 6 с. е. н.?

Иначе говоря, теперь уже при постановке эксперимента нужно задавать природе вопрос в другой форме или даже совсем другой вопрос.

Автор: И. Первушин.